Projeto e controle de um sistema robótico modular reconfigurável de pernas altamente dinâmicas

Resumo

Aqui, apresentamos um protocolo para permitir que iniciantes repliquem um sistema robótico bípede altamente dinâmico e um robô quadrúpede modular composto por bípedes como as menores unidades.

Resumo

Os robôs com pernas possuem adaptabilidade excepcional ao terreno, tornando-os uma plataforma ideal para exploração ao ar livre e transporte de carga em terrenos complexos. O número e a configuração das pernas desempenham um papel crucial em seu desempenho; no entanto, a maioria dos projetos atuais são monolíticos, sem flexibilidade para reconfiguração. O protocolo apresentado neste artigo detalha o projeto e a fabricação de um sistema de robô modular com pernas robustas com recursos robustos de caminhada e reconfiguração flexível entre configurações bípedes e quadrúpedes. Primeiro, vários módulos funcionais são montados mecanicamente para completar a construção da plataforma bípede e a montagem do dispositivo de conexão modular. Posteriormente, usando o software de depuração, configuramos a unidade de medição inercial e os motores, incluindo a identidade (ID) da rede de área do controlador (CAN), a taxa de transmissão e outros parâmetros de trabalho para garantir que estejam no estado de trabalho correto. Em seguida, projetamos uma estratégia de controle de corpo inteiro e uma estrutura de controle distribuída para garantir a caminhada estável da unidade bípede e o movimento coordenado da estrutura montada, respectivamente. Por fim, validamos a eficácia do sistema nas configurações bípede e quadrúpede, permitindo que o robô alcance uma caminhada estável ao ar livre.

Introdução

Robôs com pernas, utilizando um mecanismo de suporte discreto, exibem adaptabilidade e agilidade superiores ao terreno ^1,2. Nos últimos anos, robôs com pernas foram implantados em cenários como operações de resgate e busca, obtendo resultados favoráveis ^3,4,5. Robôs com pernas de várias configurações oferecem vantagens distintas para diferentes tarefas. Os robôs bípedes, com seu design simples, podem navegar em espaços estreitos, mas têm capacidade de carga limitada. Os robôs quadrúpedes são mais complexos, mas podem transportar cargas mais pesadas e se mover mais rápido. Robôs com seis ou mais pernas fornecem maior estabilidade, mas são mais difíceis de manter. No entanto, os robôs com pernas existentes geralmente empregam um design integrado caracterizado por uma configuração singular que carece de flexibilidade para se adaptar ou alternar entre diferentes configurações ^6,7,8. Essa abordagem de projeto resulta em uma alta incidência de falhas e apresenta desafios de manutenção significativos, pois pontos únicos de falha podem levar ao colapso do sistema. Em contraste, os robôs projetados com o conceito de montagem modular podem ser facilmente reconfigurados para atender a diferentes requisitos de tarefas ^9,10. Ao enfrentar terrenos acidentados, eles podem aumentar sua capacidade de travessia aumentando o número de pernas ou módulos¹¹.

Atualmente, a pesquisa sobre robôs de pernas modulares ainda está em fase exploratória, concentrando-se principalmente em plataformas de pernas pequenas ou em miniatura, que se movem principalmente rastejando ou deslizando 11,12,13,14,15. Alguns submódulos de montagem ainda não possuem recursos de movimento independente e só podem alcançar mobilidade quando combinados^16,17. Isso os torna difíceis de implantar em cenários práticos para tarefas como transporte e reconhecimento. Para enfrentar esses desafios, este artigo propõe um sistema robótico de pernas modulares com recursos de mobilidade flexíveis. Diferente dos métodos anteriores, as pernas dos submódulos de montagem neste artigo são inspiradas na configuração das pernas dos mamíferos, fornecendo recursos de corrida rápida. Selecionamos o robô bípede como o menor módulo de emenda devido à sua estrutura simples, capacidade de caminhada estável e estilo de caminhada mais humano^18,19.

Além disso, alguns dos robôs modulares com pernas mencionados acima usam travas ou fixadores para conectar os módulos¹², enfraquecendo suas capacidades de conexão e desconexão rápidas. Para simplificar o processo de conexão e evitar o uso de clipes e fixadores, empregamos um mecanismo de fixação eletromagnética entre os módulos, com ativação/desativação controlável e flexível da força magnética. Para aproveitar ao máximo as vantagens do robô de pernas modulares, empregamos uma abordagem de controle distribuído para gerenciar a locomoção do robô discutido neste artigo. A eficácia do sistema construído e do método de controle foi validada por meio de experimentos de protótipo. O sistema proposto pode ajudar a atender às necessidades de transporte de materiais em larga escala em terrenos não estruturados ou reconhecimento rápido em ambientes desconhecidos.

O objetivo deste protocolo é apresentar minuciosamente o processo de projeto e fabricação do sistema descrito neste artigo, permitindo que as partes interessadas repliquem ou criem robôs com funcionalidade semelhante para atender às suas necessidades. O módulo bípede neste artigo é baseado em nosso trabalho anterior. Instalamos um mecanismo de encaixe nele e realizamos o ajuste fino dos parâmetros²⁰.

Protocolo

1. Construção da máquina

1. Monte a articulação, a carcaça e a panturrilha usando parafusos e fixadores e, em seguida, conecte a articulação montada ao pino de chave do eixo de saída do motor usando fixadores (Figura 1).
   NOTA: A perna, que compreende a articulação, motor, rolamentos, etc., é o principal componente do robô responsável por seu movimento.
2. Inicialize os motores usando o software fornecido pelo fabricante do motor. Isso inclui a calibração de sensores e codificadores Hall.
3. Prenda as duas pernas montadas com placas de fibra de carbono e conectores apropriados para criar uma estrutura bípede, conforme ilustrado (Figura 2).
4. Fixe o tubo de fibra de carbono em ambos os lados do dispositivo de encaixe com parafusos e prenda o eletroímã em sua ranhura central (consulte a Figura 3).

2. Construindo a caixa de controle

1. Monte a placa de alimentação com base no esquema do circuito e no diagrama físico mostrado na Figura 4.
2. Posicione e prenda o módulo de gerenciamento de energia, a unidade de medição inercial (IMU), a unidade de microcontrolador (MCU) e outros componentes em seus locais designados, conforme ilustrado (Figura 5).
3. Conecte a porta USB (barramento serial universal) do MCU à IMU usando o conector JT30-USB.
4. Conecte a porta Ethernet do MCU ao roteador usando um cabo Ethernet.
5. Use a fiação para conectar o interruptor do motor, o interruptor MCU e o interruptor principal às suas interfaces correspondentes no módulo de gerenciamento de energia.
6. Conecte as interfaces CAN1 e CAN2 da placa de interface periférica serial (SPI) às interfaces CAN1 e CAN2 do módulo de gerenciamento de energia, respectivamente.
7. Conecte todos os motores às interfaces de energia e CAN no módulo de gerenciamento de energia por meio de suas interfaces correspondentes.
   NOTA: Os motores da perna esquerda estão ligados às interfaces de alimentação e CAN do lado esquerdo no módulo de gerenciamento de energia através do conector do lado esquerdo na caixa de controle; o lado direito está conectado de forma semelhante.

3. Depuração dos motores

1. Abra o software de depuração do motor. Conecte o computador ao motor de depuração com um módulo USB-CAN.
2. Atribua o CAN ID do motor. Defina o valor de ab/ad como 1, quadril como 2 e joelho como 3.
3. Defina a posição zero da junta e a direção positiva sequencialmente, conforme mostrado na Figura 6.

4. Esquema de controle

1. Estabelecer a relação de transmissão cinemática entre as ligações do robô, conforme indicado por
   
   NOTA: O eixo z se alinha com o eixo da junta i enquanto o eixo se alinha ao longo da perpendicular comum entre os eixos da junta i e i + 1, direcionado da junta i para i + 1. Se os eixos se cruzam, x_i é perpendicular ao plano de interseção. a_i-1 é o ângulo de rotação em torno de x_i-1 de z_i-1 a z_i; a_i-1 é a distância ao longo de x_i-1 de z_i-1 a z_i; θ_i é o ângulo de rotação em torno de z_i de x_i-1 a x_i; e di é a distância ao longo de z_i de x_i-1 a x_i.
2. Estabelecer equação dinâmica de corpo inteiro dada por
   
   NOTA: J_c e f_c denotam as forças do pé de mapeamento da matriz jacobiana para o espaço articular e a força de contato do pé, respectivamente. M(q) é a matriz de inércia, representa os termos centrífugos e de Coriolis, e g(q) é a força gravitacional no robô.
3. Estabeleça equações de controle de equilíbrio de corpo inteiro.
   NOTA: A lei de controle para o módulo bípede integra o controle de modelo virtual (VMC) e o controle de corpo inteiro (WBC). Para equações de controle detalhadas, consulte um trabalho anterior²⁰.

5. Escreva o programa

1. Use ST-LINK para importar o binário (BIN) file do programa de comunicação entre o MCU e o motor para a placa SPI.
   NOTA: A placa SPI serve como módulo de comunicação entre o MCU e os motores, com o STM32 como núcleo de controle.
2. Transmita o programa de controle de locomoção do robô compilado do PC para o MCU por meio de um cabo Ethernet.

6. Iniciando o módulo do robô bípede

1. Defina o robô para a postura inicial, conforme ilustrado (Figura 7A).
2. Inicie o arquivo executável compilado a partir do código de controle no MCU.
3. Envie o comando stand para o robô usando o controle remoto (Figura 7B).
   NOTA: Os botões do controle remoto podem ser configurados conforme necessário. Recomenda-se que o joystick seja usado para controlar a velocidade e os botões alternem entre diferentes estados.
4. Ative o modo de locomoção do robô através do controle remoto (Figura 7C).
5. Use o joystick do controle remoto para manobrar o robô para frente, para trás e para dirigir.

7. Iniciando o robô quadrúpede reconfigurado modularmente

1. Configure os roteadores dos dois módulos bípedes para estarem no mesmo segmento de rede.
2. Estabelecer a estrutura de controle distribuído com base em Lightweight Communications and Marshalling (LCM)²¹.
3. Instale os componentes do dispositivo de emenda montados na cabeça do robô bípede.
4. Posicione os dois módulos bípedes no estado inicial conforme especificado e ative a força magnética do dispositivo de emenda.
5. Inicie os programas executáveis dos dois módulos bípedes separadamente.
6. Transmita o comando permanente para o robô através do controle remoto.
7. Ative o modo de locomoção do robô através do controle remoto.
8. Use o joystick do controle remoto para manobrar o robô de emenda para frente, para trás e para dirigir.

Resultados

Para validar a eficácia do sistema proposto, realizamos testes de caminhada ao ar livre em vários terrenos. Inicialmente, um único módulo bípede foi selecionado como cobaia e os testes de movimento foram realizados em grama artificial e pista sintética. Conforme mostrado na Figura 8, o robô demonstrou locomoção estável em ambos os terrenos. Os dados de postura e torque articular do robô durante a locomoção são mostrados na Figura 9. A amplitude das flutuações do...

Discussão

O robô de pernas modulares proposto neste artigo oferece uma nova perspectiva sobre o design de robôs de pernas Essa abordagem apresentada neste artigo foi validada experimentalmente, confirmando sua capacidade de reconfiguração de configuração e movimento coordenado. As seções 1, 2, 4 e 5 deste protocolo representam os estágios críticos na implementação deste projeto, abrangendo o desenvolvimento da estrutura mecânica do robô e do sistema de controle elétrico.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Bateria	YOBOTICS	https://yobotics.cn/
Eletroímã	Kaka Electric	H25
Componente eletrônico	JLC	https://yobotics.cn/	Incluindo componentes comumente usados, como resistores, capacitores, indutores, etc
IMU	LORD	3DM-GX5-45
Motor	YOBOTICS	https://yobotics.cn/
Módulo de gerenciamento de energia	JLC	P1
Controle remoto	Ledi	https://yobotics.cn/
Router	linwlan	GX30
SPI	YOBOTICS	https://yobotics.cn/
Peças estruturais	Serviço de impressão 3D	N/A	M1-1, M1-2, M1-3, M1-4, M1-5, M1-6, U1, U2, LX1, LX2, LX3, LX4